“雙碳”目標下北京市如何構建多元化氫能應用場景

隨著《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》的出臺，氫能將成為我國能源體系不可或缺的組成部分，對實現碳中和目標具有重要戰略意義。近幾年，我國氫能產業發展勢頭迅猛，北京市憑借技術、人才、產業等方面優勢，基本建立起條塊結合的氫能發展格局

面對日益嚴峻的全球氣候變化形勢，推動綠色低碳發展已成為全人類的共識。目前，包括中國在內，全球已有130多個國家和地區提出了碳達峰和碳中和目標。在各國和地區碳達峰碳中和政策的引導推動下，能源結構低碳轉型有望加快推進，化石能源生產與利用將面臨更嚴格的碳排放約束，非化石能源逐漸成為能源增量主力。

氫能因具備熱值高、零排放、利用形式多樣等特點，作為化石能源替代品的優勢突出，成為應對氣候變化的重要途徑，也是實現碳中和的關鍵路徑。

近幾年，北京市憑借技術、人才、產業等方面優勢，已在氫能領域基本建立起條塊結合的發展格局。為實現“雙碳”目標，北京市未來可在交通、建筑等領域全方位開展氫能應用，逐步構建綠色低碳的多元化氫能應用場景。

氫能在“雙碳”目標下的重要作用

氫是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占到了太陽總質量的84%，宇宙質量的75%都是氫。它具有高揮發性、高能量，是能源載體和燃料，同時在工業生產中也有廣泛應用。氫能是一種清潔高效的二次能源，其燃燒熱值是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍，燃燒的產物僅有水，并且適于長期儲存。在“雙碳”目標下，各國都迫切需要尋找一種不依賴化石燃料、儲量豐富的新型二次能源，而氫能正是這樣的能源。國內外氫能發展現狀表明，盡管氫能現階段成本較高，但隨著大規模推廣和利用，氫能將成為一種有效的降碳方式，因此利用氫能已得到世界廣泛認可，氫的制取、運輸、儲存和應用技術也已經成為各國關注的焦點。

從能源結構源頭脫碳來看，傳統化石能源必將逐步退出歷史舞臺，可再生能源特別是風電光電占比和絕對量都會實現大幅度的增長。可再生能源雖具有清潔低碳、可持續、低成本等優勢，但它的波動性比較大，導致電網消納難。同時，我國的風電光電基地主要集中在地廣人稀、光照時間長的西部和北部地區，把電力長距離傳輸到東南沿海的成本比較高。同時，其時效性也帶來了高昂的儲能成本。而氫作為一個高熱值的清潔能源載體，將成為能源結構低碳化中非常重要的二次能源。一方面，氫能能量密度高、儲存方式簡單，是大規模、長周期儲能的理想選擇，通過“風光氫儲”一體化融合發展，為可再生能源規模化消納提供解決方案。另一方面，隨著燃料電池等氫能利用技術開發成熟，氫能—熱能—電能將實現靈活轉化、耦合發展，可降低碳排放。

從能源消費端來看，氫能的應用領域和場景具有很強的多樣性。除了用作燃料，氫能還可作為原料應用于多個領域進行深度脫碳，如工業原料、交通運輸、供熱、發電等。其中，氫能是實現交通運輸、工業和建筑等領域大規模深度脫碳的最佳選擇之一。目前，我國主要的氫氣來源是基于化石能源的灰氫，它們在生產過程當中會導致遠遠超過自身重量的碳排放，給碳減排帶來負面影響，只有結合了碳捕捉技術的藍氫、綠氫，才是真正意義上的潔凈氫能。利用可再生能源電解水，大規模生產綠氫是解決能源無碳化最佳方案之一。

我國現已形成完整的氫能產業鏈，自主化進程加快，關鍵技術環節基本打通，國產化替代有序推進。但相較于國際先進水平還有差距，存在部分關鍵材料依賴進口、產能有待提升、國產化替代緩慢等問題，如催化劑、質子交換膜等關鍵材料和傳感器、閥門、加氫槍等儲運加工關鍵設備仍以進口為主。樹脂、ePTFE膜、碳紙等基礎材料研發仍存在“卡脖子”問題，需重點攻克，擺脫進口依賴。

北京市發展氫能的優勢及制約因素

隨著《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》的出臺，氫能將成為我國能源體系不可或缺的組成部分，對實現碳中和目標具有重要戰略意義。近幾年，我國氫能產業發展勢頭迅猛，北京市憑借技術、人才、產業等方面優勢，基本建立起條塊結合的氫能發展格局。

北京市擁有研發能力較強的世界一流高校和科研院所，清華大學、航天科技六院等知名高校及科研院所，長期在氫能、燃料電池及燃料電池汽車等相關領域開展研發，具備較好的研發基礎和技術創新能力；在商用車產品研發方面，屬地車企開展國際合作；氫燃料電池發動機、雙極板等部分關鍵零部件技術處于國內領先水平。

目前，北京市的氫能產業發展呈加速態勢。大功率自主化燃料電池發動機、車載高壓儲氫系統，氫液化與儲運裝備等行業標志性技術成果快速發展。在北京冬奧會舉辦期間，北京市和張家口市兩地運行超過千輛氫燃料電池汽車，實現了全球最大規模的氫燃料電池汽車示范應用。2022年至2023年，京津冀燃料電池汽車示范城市群推廣氫燃料電池車輛1864輛。大興國際氫能示范區、中關村（房山）氫能產業園、未來科學城“能源谷”等重點園區集聚200多家氫能領域創新企業和機構，形成產業集聚效應，涌現出億華通、國氫科技等一批產業化能力突出的創新型企業。

為支持氫能發展，北京市相關部門發布了《北京市關于支持氫能產業發展的若干政策措施》及其修訂版、《北京市氫燃料電池汽車產業發展規劃（2020—2025年）》《北京市氫能產業發展實施方案（2021—2025年）》《關于加快推進加氫站項目建設工作的通知》等政策文件。各區也積極響應，大興區、昌平區、房山區等陸續發布了氫能發展規劃等文件，條塊結合，共同推進氫能產業發展。

盡管優勢明顯，北京市氫能發展仍處于培育階段，在技術、體制等方面存在制約發展的因素。一是氫氣作為能源的配套管理體制、法規及標準沒有跟上，氫能應用的空間和場景受限；二是氫氣“制儲輸用”監督體系和測試標準體系不健全，不利于產業的安全有序發展；三是基礎設施建設審批程序和運營監管標準有待建立健全；四是核心零部件的提質降本仍需要時間。

北京市交通與建筑領域的氫能應用

數據顯示，2019年至2022年，北京市碳排放量總體呈現小幅波動、緩慢下降趨勢，年均降幅為1.1%。全市碳排放的三大重點領域為工業、建筑、交通。2019年至2022年，受疫情防控政策影響，居民居家時間增多，機場、鐵路、城市軌道等交通活動量銳減，導致居民生活碳排放增加，帶動建筑領域碳排放保持年均3.4%的增速，2022年該領域排放占全市總排放的58.2%；交通領域碳排放下降較快，年均降幅10.2%，占全市比重18.8%；工業領域碳排放基本穩定，占全市總排放的19.4%。

氫能的應用領域和場景具有很強的多樣性，是實現交通運輸、建筑等領域大規模深度脫碳的最佳選擇。

隨著北京市產業結構加快優化調整，高耗能及高污染工業企業逐步搬遷調整，第二產業尤其是工業能源消費量明顯下降，碳排放占比也逐年下降，利用氫能的空間有限。而在全市交通和建筑領域，氫能則大有可為。

從北京市的交通領域來看，具體包括航空運輸業、鐵路運輸業、道路運輸業、水上運輸業、管道運輸業、倉儲及郵政業、社會車輛等所有移動源。目前，全市鐵路運輸業已實現電氣化，航空運輸業與小客車、大中型客車、貨車等社會車輛是交通領域碳減排需要關注的重點。現階段，航空運輸動力基本來自于以煤油為基礎的航空燃料，而各類社會車輛絕大多數使用汽柴油，均以化石能源消費為主，使交通領域的碳排放強度保持在較高水平。隨著總體運輸量及交通工具數量的增加，如果現有發動機與燃料結構不發生顛覆性的改變，交通領域將無法實現“雙碳”目標。

目前，航空領域應用電動機的空間較小，長距離航空的脫碳化必須依靠零碳的新型燃料開發。從全球來看，氫燃料電池在交通領域的應用場景主要面向城市公交客車和物流運輸車輛。與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車在燃料加注時間和續駛里程方面具有明顯優勢，對于續駛里程長、動力性要求高、載重量大的大中型客車、物流運輸車及重型載貨車，氫燃料電池是更具競爭優勢的零排放技術方案。同乘用車相比，重型載貨車的運行路線也相對固定，對加氫基礎設施布局的要求也相對較低。截至2023年底，北京市社會小客車563.86萬輛，社會大中型客車14.42萬輛，社會貨車56.16萬輛。其中社會小客車可用電動車替代，社會大中型客車、社會貨車可以采用氫燃料電池替代，逐步建立氫燃料電池電動汽車與鋰電池純電動汽車的互補發展模式，減少碳排放。

從北京市的建筑領域來看，其能源品種主要有電力、天然氣和熱力，主要用能系統有照明、插座、空調、供熱、餐飲等。其中照明、插座、空調主要使用電力，供熱和餐飲主要使用天然氣。全市建筑領域實現減碳的方式主要是供熱和餐飲領域減少使用化石能源。因此，隨著城市建筑面積的增加，該領域要想實現“雙碳”目標，須改變供熱和餐飲的能源品種。

在餐飲領域，隨著人們生活方式的改變，可用電力逐步替代。在供熱領域，可將氫與天然氣混合（氫氣摻混比例為0—20%），通過基于燃氣輪機或燃料電池的熱電聯供技術，利用現有建筑和能源網絡基礎設施提供靈活、連續的熱能及電力供應，從而逐步取代化石燃料。目前，北京市冬季供熱以天然氣為主，2023年全市城鎮熱電聯產和燃氣供熱面積約9.23億平方米，占全市城鎮供熱面積的95%。因此，可在熱電聯供企業的燃氣輪機中采用摻氫技術或采用分布式熱電為用戶提供熱能。

北京市氫能發展的總體構想

氫能是實現碳中和的關鍵路徑，因此應重視其對推動能源轉型和深度脫碳的重要價值。在“雙碳”目標下，北京市應加快培育新動能、發展新業態，把氫能作為全市能源轉型和深度脫碳的引領工程，發揮技術、產業、應用場景等綜合優勢，提升自主創新能力，著力構建特色鮮明、優勢突出、布局合理、效益顯著的氫能發展體系，努力將北京市建設成為全國領先的核心技術創新基地、多領域先行應用基地、清潔氫能示范供應基地，打造具有全球影響力的氫能產業高地。

圍繞盡早實現碳中和這一目標，北京市可從構建新一代能源系統角度出發，找準氫能發展的切入點，在交通、建筑等領域開展全方位氫能利用，統籌經濟效益、節能減碳和產業發展等因素，逐步構建綠色低碳的多元化氫能應用場景。

在引領氫電協同的交通能源變革方面，北京市可積極推動氫燃料電池汽車在公交、物流、市政等領域的應用。開展“氫能+旅游”特色示范推廣。選取較為成熟的旅游公交路線，推動氫能公交替代傳統燃油公交。建設智慧氫能物流基地，針對首都國際機場、大興國際機場、電商物流、工業園區等應用場景，以冷鏈配送、工廠作業等為重點，逐步推動氫能物流車輛、叉車的應用。開展市政環衛、郵政、機場通勤等領域氫燃料電池汽車示范。以合理配套、適度超前為原則，統籌推動加氫基礎設施布局。支持加氫/加油、加氫/充電、油電氣氫一體化綜合能源補給站等多元化建站模式。

在推進建筑供熱領域天然氣摻氫和分布式能源的應用方面，北京市可在城市熱電聯供的燃氣輪機中開展摻氫示范項目，打造“可再生能源制氫—燃氣輪機摻氫發電供熱”的樣板工程，并逐步實現規模化推廣。做好天然氣管網摻氫的可行性研究，在確保安全前提下，在綠氫資源富集區有序開展天然氣摻氫試點。可實施天然氣摻氫示范工程，依托可再生能源制取的綠氫，以一定比例（5—10%為宜）摻入天然氣管網，用于提供建筑供熱所需熱源。推動氫能在熱電聯供、備用電源等領域的應用，配合“綠電進京”，探索建設“可再生能源+氫儲能+燃料電池發電”組成的分布式能源站，以及更多分布式熱電聯供的商業化模式，建設“氫進萬家”智慧能源示范社區。

在技術引領與突破方面，北京市可聚焦氫能全產業鏈關鍵技術國產化、領先化，鼓勵并獎勵企業、科研院所開展氫能產業核心材料、關鍵零部件以及終端集成系統的研發，推動氫能與相關產業的創新協同，加快打造具有完全自主知識產權，規模化的應用技術體系，建設自主化技術生態鏈。在低成本制綠氫技術、氫燃料電池技術、天然氣摻氫運輸及分離技術、分布式能源等方面實現引領突破。

在建立健全氫能政策體系方面，北京市應重點建立完善市、區財政補貼、氫能產業化鼓勵措施、科技研發獎勵和技術攻關扶持政策、用地規劃辦法、安全運行監管辦法、差別化車輛運營及道路運輸支持政策。同時，面向氫能產業發展建立政府引導基金，面向應用推廣項目，探索金融租賃、專業保險、碳交易、數據信息管理等模式創新政策。

（作者單位：北京節能環保中心）